(57)【要約】【課題】触媒の交換に伴うコストを抑制するとともに、再利用を図るべき触媒の回収を容易に行うことができる触媒反応装置を提供する。【解決手段】ガス状物質を反応させて所定作用を及ぼすための金属触媒が保持された触媒体２と、該触媒体が保持する触媒の反応温度まで加熱するシーズヒータ１と、触媒体２及びシーズヒータ１を収容するともに、ガス状物質を導入する導入口３ａ及び反応後の気体を排出する排出口３ｂが形成された収容部材３とを備えた触媒反応装置において、触媒体２は、耐熱性繊維に触媒を保持させたシート状触媒体から成り、シーズヒータ１に巻かれて取り付けられ、当該シーズヒータ１に対して触媒体２が脱着自在に取り付けられたものである。【選択図】  図１
2005007314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状物質を反応させて所定作用を及ぼすための金属触媒が保持された触媒体と、
該触媒体が保持する触媒の反応温度まで加熱するヒータと、
前記触媒体及びヒータを収容するともに、ガス状物質を導入する導入口及び反応後の気体を排出する排出口が形成された収容部材と、
を備えた触媒反応装置において、
前記触媒体とヒータとが当接した状態にて前記収容部材内に収容され、当該ヒータに対して触媒体が脱着自在に取り付けられたことを特徴とする触媒反応装置。
【請求項２】
前記触媒体は、耐熱性繊維に触媒を保持させたシート状触媒体から成り、前記ヒータに巻かれて取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の触媒反応装置。
【請求項３】
前記シート状触媒体は、前記耐熱性繊維より熱電導性が高い物質を含有したことを特徴とする請求項２記載の触媒反応装置。
【請求項４】
前記シート状触媒体は、湿式抄紙法により得られた不織布から成るとともに、含浸法にて当該不織布に前記金属触媒を保持、又は内添法にて湿式抄紙法の際に当該不織布に金属触媒を保持させたものであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の触媒反応装置。
【請求項５】
前記金属触媒が銅金属から成り、メタノール水蒸気改質触媒反応に用いられることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒体が保持する触媒の反応温度まで加熱し得るヒータを有した触媒反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、自動車等に配設された触媒反応装置は、触媒をその反応温度まで加熱するヒータ（発熱体）を備え、例えば当該ヒータ表面に直接、アルミナ等の耐熱性のある無機材料を比表面積が大きくなるように塗布した後、その上にさらに触媒活性な金属を分散保持させることにより、触媒上に導入されたガス状物質と酸素とを反応させ、ガスの浄化などの所定作用を行っている。
【０００３】
従来の触媒反応装置として、例えば特許文献１で開示されている技術は、触媒を保持させた金属製の薄板を複数併設しておき、これら薄板に対して略直交する方向にヒータ（シーズヒータ）を貫通させ、その貫通部において薄板をヒータ外周壁にかしめて固定させていた。これにより、ヒータの熱が薄板を介して触媒に至り、反応温度まで加熱することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１７２５３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の触媒反応装置においては、ヒータと触媒を保持した薄板がかしめられて固定され、一体部品とされていたため、触媒が劣化した際、ヒータを含んだ一体部品全体を交換しなければならず、触媒交換のためのコストが増加してしまうという問題があった。
【０００６】
また、使用する触媒には、例えば白金、ロジウム又はパラジウムといった稀少価値のあるものもあり、それらを回収して再利用を図る必要性も生じているのに対し、従来の触媒反応装置においては、触媒が保持された薄板（触媒体）をヒータから取り外すのが困難であり、上記再利用を図るべき触媒の回収をより困難なものとしていた。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、触媒の交換に伴うコストを抑制するとともに、再利用を図るべき触媒の回収を容易に行うことができる触媒反応装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ガス状物質を反応させて所定作用を及ぼすための金属触媒が保持された触媒体と、該触媒体が保持する触媒の反応温度まで加熱するヒータと、前記触媒体及びヒータを収容するともに、ガス状物質を導入する導入口及び反応後の気体を排出する排出口が形成された収容部材とを備えた触媒反応装置において、前記触媒体とヒータとが当接した状態にて前記収容部材内に収容され、当該ヒータに対して触媒体が脱着自在に取り付けられたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の触媒反応装置において、前記触媒体は、耐熱性繊維に触媒を保持させたシート状触媒体から成り、前記ヒータに巻かれて取り付けられたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の触媒反応装置において、前記シート状触媒体は、前記耐熱性繊維より熱電導性が高い物質を含有したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３記載の触媒反応装置において、前記シート状触媒体は、湿式抄紙法により得られた不織布から成るとともに、含浸法にて当該不織布に前記金属触媒を保持、又は内添法にて湿式抄紙法の際に当該不織布に金属触媒を保持させたものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の触媒反応装置において、前記金属触媒が銅金属から成り、メタノール水蒸気改質触媒反応に用いられることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
第１の実施形態に係る触媒反応装置は、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）が水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応することにより生成される水素（Ｈ２）を原料として電力を得るため、燃料電池用メタノール水蒸気改質反応に使用される触媒を保持した触媒体を具備したものであり、図１に示すように、シーズヒータ１及び触媒体２が収容部材３内に収容されて構成されている。
【００１４】
シーズヒータ１は、内部に発熱抵抗体（不図示）を有した棒状部材から成り、かかる発熱抵抗体に通電することにより、その外周面に取り付けられた触媒体２を加熱し得るようになっている。また、同図に示すように、シーズヒータ１は板状の取付部材４に取り付けられており、該取付部材４が収容部材３のフランジ部３ｃに対しボルト（不図示）等にて取り付けられて、シーズヒータ１の発熱部が収容部材３内に位置するよう構成されている。
【００１５】
触媒体２は、メタノール及び水蒸気（ガス状物質）を反応させて水素等（水素の他に二酸化炭素や微量の一酸化炭素も含まれる）を生成させるための金属触媒としての銅金属を保持したものである。即ち、触媒体２が保持する金属触媒は、銅金属から成り、収容部材３内に導入されたメタノールを改質して燃料電池の原料として使用される水素を生成するためのものである。
【００１６】
上記触媒体２は、耐熱性繊維に触媒としての銅金属を保持させたシート状触媒体から成り、図２で示すように、シーズヒータ１に巻かれて取り付けられている。かかる耐熱性繊維は、シリカ及びアルミナを主成分とした非晶質セラミックス等から成り、湿式抄紙法でシート状に成型されて触媒体の担体を成すものである。
【００１７】
微視的に観察すると、シート状触媒体は、図３で示すように、耐熱性繊維ａ及び金属繊維ｅ、無機バインダｂ、金属酸化物粒子ｃ、及び銅金属粒子ｄで構成されている。このシート状触媒体は、湿式抄紙法により得られた不織布から成るとともに、含浸法にて当該不織布に金属触媒（銅金属）を保持、又は内添法にて湿式抄紙法の際に当該不織布に金属触媒を保持させて製造される。
【００１８】
上記シート状触媒体を得るには、まず不織布を生成する。かかる不織布を製造するには、所定量の水に所定量の耐熱性繊維ａ、金属繊維ｅ、金属酸化物粒子ｃと銅金属粒子ｄとから成る触媒粉末、無機バインダｂ、及び気孔調整剤を投入して水溶液を作製し、これら含有物を均一に分散させたスラリーを作製した後、該スラリーに凝集剤を添加してフロックを成形して、そのフロックを抄造する（湿式抄紙法）。その後、乾燥及び無機バインダの硬化を図るため、所定の熱処理及び加圧処理を行う。これにより、均一な厚さのシート状触媒体を得ることができる。
【００１９】
上記の如く、湿式抄紙法の際に使用される溶液中に銅金属（触媒粉末）を投入しておき、抄造して生成される不織布に金属触媒を保持させる方法（内添法）の他、触媒粉末を含まない溶液にて不織布を生成しておき、その後、当該不織布を触媒粉末が投入された溶液に漬けて触媒を保持させる方法（含浸法）を採用してもよい。尚、本実施形態に係る触媒体においては、上記の如き湿式抄紙法によって製造されているが、これに代えて他の方法にてシート状の触媒体を得るようにしてもよい。また、本実施形態においては、シート状触媒体が不織布に金属を保持させて構成されているが、織布に金属を保持させて成るものとしてもよい。
【００２０】
更に、耐熱性繊維ａは、化学的及び物理的に安定で、抄造した際に繊維同士が強く絡み合って高強度な構造体を得ることができれば、他の材質から構成してもよく、特に、メタノール水蒸気改質反応は、２００〜３５０℃程度と比較的低温で進行するため、アラミド繊維等の有機繊維を使用してもよい。その他、耐熱性が高く、化学的にも安定なガラス繊維や炭素繊維を湿式抄紙法でシート状に生成してもよい。
【００２１】
一方、金属繊維ｅは、耐熱性繊維ａより熱電導性が高い物質であれば足り、例えば、ＳＵＳ、銅、アルミニウム又はＳｉＣなどの繊維を金属繊維ｅとして使用し、耐熱性繊維と絡ませてシート状触媒体を形成するのが好ましい。また、熱電導性が高い物質であれば、耐熱性繊維ａを絡ませた不織布に、鉄、銅、アルミニウム、窒化アルミニウム等の粉体を含有させてシート状触媒体を形成するようにしてもよい。このように、シート状触媒体が熱電導性の高い物質を含有することにより、シーズヒータ１からの熱を効率的に銅金属触媒に伝えることができる。
【００２２】
触媒としての銅金属は、その電子状態がメタノール水蒸気改質触媒反応に高い活性を有するものであり、硝酸塩、水酸化塩、酢酸塩等を熱分解して得られる。かかる銅金属は、金属酸化物（図３における金属酸化物粒子ｃ）を担体とした触媒粉末とされた後、湿式抄紙法にて多孔質構造の空孔内に均一に分散されて付着される、触媒粉末中の銅金属は、触媒担体となる金属酸化物の表面に化学的に強く吸着されるので、当該触媒担体から剥離することがない。
【００２３】
収容部材３は、その内部に触媒体２が巻かれて取り付けられたヒータ１を収容するための収容空間Ｓを有するとともに、該収容空間Ｓにメタノール及び水蒸気（ガス状物質）を導入する導入口３ａ、触媒の作用により反応して生成された水素や二酸化炭素等を排出する排出口３ｂが形成されている。即ち、触媒反応装置は、導入口３ａから収容空間Ｓ内に導入されたメタノール及び水蒸気は、収容空間Ｓ内において触媒体２の触媒と接触して反応し、排出口３ｂから排出されるよう構成されているのである。
【００２４】
本実施形態によれば、棒状のシーズヒータ１にシート状触媒体を巻き付けて触媒体２としているため、シーズヒータ１に対する触媒体２の取り付け作業の容易化を図ることができるとともに、巻き付けたシート状触媒体を解けば簡単にシーズヒータ１から触媒体２を取り外すことができるので、触媒の交換に伴うコストの抑制、及び再利用を図るべき触媒の回収を容易とすることができる。即ち、触媒体２がシーズヒータ１に対して脱着自在とされているため、上記効果を奏することができるのである。
【００２５】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
本実施形態に係る触媒反応装置は、第１の実施形態のものと同様、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）が水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応することにより生成される水素（Ｈ２）を原料として電力を得るため、燃料電池用メタノール水蒸気改質反応に使用される触媒を保持した触媒体を具備したものであるが、図４及び図５に示すように、板状ヒータ５及び触媒体６が収容部材７内に収容されて構成されている。
【００２６】
板状ヒータ５は、配線Ｈからの通電により発熱し、触媒体６を加熱するためのもので、図４で示すように、平面視の形状（同図紙面方向の形状）が矩形状とされ、その幅が収容部材７の収容空間Ｓの幅（径）と略同一寸法に設定されている。尚、収容部材３の一端（同図右端）には、取付体９が取り付けられ、該取付体９に配線Ｈを収容空間Ｓ内に導く配線部材１０が形成されている。
【００２７】
触媒体６は、第１の実施形態と同様、耐熱性繊維及び金属繊維に触媒としての銅金属を保持させたシート状触媒体から成り、かかるシート状触媒体を予めロール状に巻き、図６に示すように、そのロール体を軸方向に分割して半割状態の触媒体６を得た後、これら一対の半割状態の触媒体６の間に板状ヒータ５を挟んで構成している。これにより、触媒体６と板状ヒータ５とが当接した状態にて収容部材７内に収容した状態としている。
【００２８】
一方、収容部材７の他端（同図左端）には、メタノール及び水蒸気（ガス状物質）を収容空間Ｓに導入する導入口７ａ、及び触媒の作用により反応して生成された水素や二酸化炭素等を排出する排出口７ｂが設けられたフランジ８が形成されている。即ち、導入口７ａから導入されたメタノール及び水蒸気は、収容空間Ｓ内の触媒体６を通過する過程において、銅金属から成る触媒と接触して改質され、水素等が生成された後、排出口７ｂから排出されるのである。
【００２９】
上記触媒反応装置によれば、第１の実施形態と同様、板状ヒータ５に対して触媒体６が脱着自在に取り付けられているので、触媒の交換に伴うコストを抑制するとともに、再利用を図るべき触媒の回収を容易に行うことができる。また、触媒体６は、シート状触媒体をロール状に巻いたものから成るため、その巻き数を任意に変えることにより大きさ（径）を調整することができ、収容部材７の収容空間Ｓの寸法に合致させることができる。
【００３０】
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば触媒体とヒータとが当接した状態にて収容部材内に収容され、当該ヒータに対して触媒体が脱着自在に取り付けられていれば、触媒体がシート状触媒体から成るものでなくてもよい。例えば、図７に示すように、中央の軸方向に貫通孔が設けられた多孔質の触媒構造体に対し銅金属から成る金属触媒を保持させた一体成形体１１を触媒体とし、かかる一体成形体１１の貫通孔にシーズヒータ１を挿入することにより、シーズヒータ１と触媒体とを当接した状態とし、導入口及び排出口を有した収容部材内に収容するようにしてもよい。
【００３１】
また、図８に示すように、円筒状部材の軸方向に半割とされた一対の成形体１２ａ及び１２ｂを触媒体（勿論、多孔質の触媒構造体から成り、銅金属から成る金属触媒が保持されている）とし、これら成形体１２ａ及び１２ｂで板状ヒータ５を挟み込んで、収容部材内に収容させた構造の触媒反応装置としてもよい。
【００３２】
更に、本実施形態に係る触媒反応装置おいては、燃料電池用メタノール水蒸気改質反応に適用されているが、他の用途の装置に本発明を適用してもよい。例えば、本実施形態と同様の水素製造用の触媒反応装置でも都市ガス（主成分メタン）やＬＰＧ等を原料（ガス状物質）とし、収容部材内に導入するようにしてもよい。この場合、Ｎｉアルミナ触媒やＲｕアルミナ触媒などを触媒体に含有させることにより、効率的に水蒸気反応を行うことができる。
【００３３】
また更に、自動車等における燃焼排ガス処理のための触媒反応装置として適用することもできる。即ち、触媒体が保持する触媒を、０．５％白金アルミナやパラジウムに代えることにより容易に燃焼排ガス処理のためのものに転用することができる。かかる燃焼排ガス処理に使用した場合、適量の空気を導入しつつヒータにより触媒体を加熱するとともに、炭化水素や一酸化炭素から成る排ガスは触媒上でほぼ完全に燃焼し、二酸化炭素と水が生成される。
【００３４】
尚、家屋の室内及び室外における悪臭成分の除去のための触媒反応装置（所謂脱臭装置）にも本発明を適用することができる。その場合、触媒体中にゼオライト等の吸着剤を含有させ、且つ、パラジウム、白金、酸化チタン及び酸化モリブデン等を触媒として保持させ、ヒータにて適当な温度まで加熱しつつ空気を導入することにより、トリエチルアミン等の悪臭物質を酸化分解反応により除去することができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、触媒体とヒータとが当接した状態にて収容部材内に収容され、当該ヒータに対して触媒体が脱着自在に取り付けられているので、触媒の交換に伴うコストを抑制するとともに、再利用を図るべき触媒の回収を容易に行うことができる。
【００３６】
請求項２の発明によれば、触媒体が耐熱性繊維に触媒を保持させたシート状触媒体から成り、ヒータに巻かれて取り付けられているので、触媒の交換に伴うコストの抑制、及び再利用を図るべき触媒の回収を容易とする効果に加え、ヒータに対する触媒体の取り付け作業の容易化を図ることができる。
【００３７】
請求項３の発明によれば、シート状触媒体が耐熱性繊維より熱電導性が高い物質を含有しているので、ヒータからの熱を効率的に触媒に伝えることができる。
【００３８】
請求項４の発明によれば、汎用的な湿式抄紙法にてシート状触媒体を製造することができ、当該シート状触媒体を容易に製造することができる。また、既存技術である含浸法又は内添法にて金属触媒をシート状触媒体に保持させることができる。
【００３９】
請求項５の発明によれば、電子状態がメタノール水蒸気改質触媒反応に高い活性を有する銅金属を金属触媒として用いるので、メタノール水蒸気改質触媒として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る触媒反応装置を示す断面模式図
【図２】同触媒反応装置におけるシーズヒータに巻かれたシート状触媒体を示す模式図
【図３】同触媒反応装置におけるシート状触媒体を微視的に見た模式図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る触媒反応装置を示す断面模式図
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線矢視図
【図６】同触媒反応装置における板状ヒータを挟持したシート状触媒体を示す模式図
【図７】本発明の他の実施形態に係る触媒反応装置における触媒体（一体成形体）及びシーズヒータを示す模式図
【図８】本発明の他の実施形態に係る触媒反応装置における触媒体（一体成形体）及び板状ヒータを示す模式図
【符号の説明】
１…シーズヒータ
２…触媒体
３…収容部材
３ａ…導入口
３ｂ…排出口
３ｃ…フランジ
４…取付部材
５…板状ヒータ
６…触媒体
７…収容部材
７ａ…導入口
７ｂ…排出口
８…フランジ
９…取付体
１０…配線部材
【図１】
2005007314.tif 000003
【図２】
2005007314.tif 000004
【図３】
2005007314.tif 000005
【図４】
2005007314.tif 000006
【図５】
2005007314.tif 000007
【図６】
2005007314.tif 000008
【図７】
2005007314.tif 000009
【図８】
2005007314.tif 000010